新仪器扩展了LIGO的应用范围

就在一年前，美国国家科学基金会(National Science foundation)资助的激光干涉仪引力波观测站(LIGO)每个月左右都会探测到引力波。现在，该系统的一个新功能是使仪器几乎每周都能探测到时空中的这些涟漪。

自今年4月LIGO开始第三次运行以来，一种被称为量子真空挤压器的新仪器已经帮助科学家们挑选出数十种引力波信号，其中一种似乎是由双星产生的——两颗中子星的爆炸合并。

科学家们称之为“挤压器”，它是由麻省理工学院的研究人员与加州理工学院和澳大利亚国立大学的合作者共同设计、制造并与LIGO的探测器集成在一起的。

该仪器“挤压”的是量子噪声——在真空中无限小的波动使其进入探测器。LIGO探测到的信号是如此之小，以至于这些量子，否则微小的波动会产生污染效应，有可能使引力波传入的信号变得模糊或完全掩盖。

“量子力学的作用与LIGO的激光是由光子组成的这一事实有关，”麻省理工学院研究生、主要作者Maggie Tse解释道。“如果你看得足够近，你会发现它实际上不是连续的激光流，而是由单个光子组成的嘈杂队列，每个光子都受到真空波动的影响。而连续的光流会在探测器中产生持续的嗡嗡声，而每个光子到达探测器时都会发出“砰”的一声。”

麻省理工学院天体物理学教授、物理系副主任Nergis Mavalvala补充道:“这种量子噪声就像背景中的爆玉米花一样，潜入我们的干涉仪，非常难以测量。”

有了新的挤压器技术，LIGO已经把这种令人困惑的量子裂纹削去了15%。加上LIGO激光功率的增加，这意味着探测器可以探测到宇宙中某个源发出的引力波，其距离约为140百万秒差距，或超过4亿光年。这个扩展的范围使得LIGO几乎每周都能探测到引力波。

LIGO科学团队的长期成员Mavalvala说:“当探测率上升时，我们不仅对已知的来源有了更多的了解，因为我们有更多的研究要做，而且我们发现未知事物的潜力也会增加。”“我们正在撒网。”

这篇新论文的主要作者是研究生Maggie Tse和Haocun Yu，以及麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的首席研究科学家Lisa Barsotti，以及LIGO科学合作的其他人员。

量子限制

LIGO由两个相同的探测器组成，一个位于华盛顿州的汉福德，另一个位于路易斯安那州的利文斯顿。每个探测器由两个4公里长的隧道或臂组成，每个臂以“l”形从另一个伸出。

为了探测引力波，科学家们从l型探测器的一角向每个手臂发射激光束，激光束的末端悬挂着一面镜子。每一束激光都从各自的反射镜反射回来，并沿每条手臂回到它开始的地方。如果引力波通过探测器，它应该改变一个或两个镜子的位置，这将反过来影响每个激光到达其原点的时间。科学家们可以测量这个时间来识别引力波信号。

激光干涉引力波测量不确定度的主要来源是激光周围真空中的量子噪声。虽然真空通常被认为是空间中的虚无，物理学家把它理解为一种亚原子粒子(这里是光子)不断被创造和破坏的状态，它们出现和消失的速度如此之快，以至于很难被探测到。这些光子的到达时间(相位)和数量(振幅)都同样未知，同样不确定，这使得科学家很难从由此产生的量子噪声背景中挑选出引力波信号。

然而，这种量子裂纹是恒定的，当LIGO试图探测更远、更微弱的信号时，这种量子噪声已经成为一个限制因素。

“我们所做的测量是如此的敏感，以至于量子真空很重要，”Barsotti说。

挤压“幽灵”噪音

麻省理工学院的研究团队在15年前就开始设计一种设备来压缩量子噪声中的不确定性，以揭示更微弱、更遥远的引力波信号，否则这些信号就会被量子噪声掩盖。

量子压缩是20世纪80年代首次提出的一种理论，其基本思想是量子真空噪声可以沿着两个主要轴表示为一个不确定的球体:相位和振幅。如果这个球体挤压,就像一个压力球,在某种程度上限制了球体沿振幅轴,这将有效收缩振幅的真空状态的不确定性(挤压压力球的一部分),同时增加的不确定性相状态(压力球的流离失所,膨胀部分)。由于相位不确定性是造成LIGO噪声的主要原因，减小相位不确定性可以使探测器对天体物理信号更加敏感。

当这一理论在近40年前首次提出时，一些研究小组试图在实验室中建造量子压缩仪器。

Mavalvala说:“在第一次示威之后，一切归于平静。

“建筑挤压机的挑战在于，挤压后的真空状态非常脆弱，”谢霆锋补充道。“要把压缩的球完整地从产生它的地方送到测量它的地方，难度大得惊人。任何失误，球都可以弹回原状。”

然后，大约在2002年，就在LIGO的探测器第一次开始寻找引力波的时候，麻省理工学院的研究人员开始考虑将量子压缩作为一种降低噪声的方法，这种噪声可能会掩盖极其微弱的引力波信号。他们开发了一种真空挤压器的初步设计，并于2010年在LIGO的汉福德基地进行了测试。结果是令人鼓舞的:该仪器设法提高了LIGO的信噪比——一个有希望的信号相对于背景噪声的强度。

从那以后，由Tse和Barsotti领导的团队改进了其设计，并将挤压器集成到两个LIGO探测器中。挤压器的核心是一个光学参量振荡器，或称OPO——一个弓形的装置，在镜子的配置中容纳一个小晶体。当研究者直接一束激光晶体,晶体的原子促进激光之间的相互作用和量子真空的方式将其属性的相位和振幅,创建一个新的“挤压”真空,然后继续沿着每个探测器的手臂,因为它通常会。这种压缩的真空具有比普通真空更小的相位波动，使科学家能够更好地探测引力波。

除了增强LIGO探测引力波的能力外，新的量子挤压器还可以帮助科学家更好地提取产生引力波的源信息。

Mavalvala说:“我们有这种令人毛骨悚然的量子真空，我们可以在不违反自然法则的情况下操纵它，然后我们可以进行改进的测量。”“它告诉我们，有时我们可以绕着大自然走一圈。不总是，但有时会。”

这项研究部分得到了美国国家科学基金会的支持。LIGO是由加州理工学院和麻省理工学院建造的。